JP5732960B2

JP5732960B2 - 波長変換型固体レーザ装置

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Publication number: JP5732960B2
Application number: JP2011069060A
Authority: JP
Inventors: 次郎齊川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: JP2012204702A

Description

本発明は、波長変換型固体レーザ装置に関し、さらに詳しくは、高安定出力の半導体レーザ励起共振器内波長変換レーザ光が得られる波長変換型固体レーザ装置に関する。

従来、励起レーザ光を入射されて基本波レーザ光を出射する固体レーザ媒質を一軸性レーザ結晶とし且つその出射面を光軸に対して傾斜面にすることにより偏光ビームスプリッタの機能を持たせ、基本波レーザ光の一つの偏光のみを波長変換素子に入射するようにし、波長変換素子における波長変換効率を向上させた波長変換型固体レーザ装置が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
他方、体積型ホログラフィックグレーティング（以下、ＶＨＧと呼ぶ：Volume Holographic Grating）を狭帯域フィルタとして用いた固体レーザ装置が知られている（例えば、非特許文献２参照。）。

特開２０１０−２５１４４８号公報

Yaohui Zheng et al "High-stability single-frequency green laser with a wedge Nd:YVO4 as a plarizing beam splitter" Optics Communucations 283 (2010) 309-312 Bjorn Jacobsson et al "Quasi-Two-Level Yb:KYW Laser Using a Volume Bragg Grating" Laser Physics, KTH-Royal Institute of Technology, 106 91 Stockholm, Sweden

上記波長変換型固体レーザ装置では、固体レーザ媒質が偏光ビームスプリッタの機能を有しているため、別個に偏光子（例えばブリュースタープレート）を配置する必要がない利点がある。
しかし、誘電体多層膜ミラーを透過させて励起レーザ光を固体レーザ媒質に入射させると共に基本波レーザ光を誘電体多層膜ミラーで反射させて固体レーザ媒質に戻して共振器を構成しているため、励起波長と発振波長が近接している場合、例えば８８０ｎｍの励起レーザ光の波長に対して無反射であり且つ９１４ｎｍの基本波レーザ光の波長に対して全反射という望ましいコーティング特性を得ることが難しく、高安定出力の半導体レーザ励起共振器内波長変換レーザ光を得にくい問題点がある。
そこで、本発明の目的は、高安定出力の半導体レーザ励起共振器内波長変換レーザ光が得られる波長変換型固体レーザ装置を提供することにある。

なお、ＶＨＧを狭帯域フィルタとして用いた上記従来の固体レーザ装置では、励起波長を狭帯域化できる利点がある。しかし、この固体レーザ装置は波長変換型でなく、ＶＨＧは励起レーザ光結合手段の機能を有していない。

第１の観点では、本発明は、半導体レーザ（１）からの励起レーザ光（Ｌ１）を入射されて基本波レーザ光（Ｌ２）を出射する固体レーザ媒質（４）として端面（４ａ，４ｂ）を非平行にした複屈折性レーザ結晶を用いて前記基本波レーザ光（Ｌ２）の異なる偏波（Ｌ２１，Ｌ２２）は異なる角度で出射させると共に、前記半導体レーザ（１）と前記固体レーザ媒質（４）の間に配置されて前記半導体レーザ（１）からの励起レーザ光（Ｌ１）を前記固体レーザ媒質（４）に入射させると共に角度選択性により前記基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）のみを前記固体レーザ媒質（４）に戻して前記一つの偏波（Ｌ２１）のみに対して共振器（２０）を構成する体積型ホログラフィック・グレーティング（３）を備え、さらに前記共振器（２０）内に波長変換素子（９）を配置したことを特徴とする波長変換型固体レーザ装置（１００）を提供する。
上記第１の観点による波長変換型固体レーザ装置（１００）では、体積型ホログラフィック・グレーティング（３）は、励起レーザ光（Ｌ１）および基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）の両方を透過させるか又は両方を反射させればよいので、例えば８８０ｎｍの励起レーザ光の波長と９１４ｎｍの基本波レーザ光の波長のように両方の波長が近接している場合でも誘電体多層膜ミラーのような問題を生じない。さらに、固体レーザ媒質（４）に偏光ビームスプリッタの機能を持たせて基本波レーザ光（Ｌ２）の偏波（Ｌ２１，Ｌ２２）を異なる角度で体積型ホログラフィック・グレーティング（３）に入射させ、体積型ホログラフィック・グレーティング（３）の角度選択性により一つの偏波（Ｌ２１）のみに対して共振器（２０）を構成し、その共振器（２０）内に波長変換素子（９）を配置したので、波長変換素子（９）における波長変換効率を向上させることが出来る。これらにより、高安定出力の半導体レーザ励起共振器内波長変換レーザ光が得られる。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による波長変換型固体レーザ装置（１００）において、前記固体レーザ媒質（４）が、レーザ活性イオン無添加部分（５）とレーザ活性イオン添加部分（６）とを持ったコンポジット型であることを特徴とする波長変換固体レーザ装置（１００）を提供する。
上記第２の観点による波長変換型固体レーザ装置（１００）では、全体がレーザ活性イオン添加部分である固体レーザ媒質に比べて、製造コストは上がるが、放熱性を向上できるので、高出力の場合に好ましい。

第３の観点では、本発明は、前記第１または第２の観点による波長変換型固体レーザ装置（１００）において、前記共振器（２０）を構成するミラー（７，１０）の少なくとも一つが反射型の体積型ホログラフィック・グレーティングであることを特徴とする波長変換固体レーザ装置（１００）を提供する。
上記第３の観点による波長変換型固体レーザ装置（１００）では、反射型の体積型ホログラフィック・グレーティングを用いることにより、誘電体多層膜ミラーを用いる場合よりも容易に発振波長を狭帯域化できる。

第４の観点では、本発明は、半導体レーザ（１）と、透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）と、複屈折性レーザ結晶からなる固体レーザ媒質（４）と、第１ミラー（７）と、第２ミラー（８）と、波長変換素子（９）と、第３ミラー（１０）とを具備し、前記半導体レーザ（１）は励起レーザ光（Ｌ１）を出射し、前記透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）は前記励起レーザ光（Ｌ１）を透過して前記固体レーザ媒質（４）に入射し、前記固体レーザ媒質（４）は入射面（４ａ）に入射された前記励起レーザ光（Ｌ１）によって励起され基本波レーザ光（Ｌ２）を出射面（４ｂ）から出射し、前記第１ミラー（７）は前記固体レーザ媒質（４）の出射面（４ｂ）から出射された基本波レーザ光（Ｌ２）を前記固体レーザ媒質（４）の出射面（４ｂ）へと反射し、前記固体レーザ媒質（４）は前記第１ミラー（７）で反射して前記出射面（４ｂ）に入射した基本波レーザ光の異なる偏波（Ｌ２１，Ｌ２２）に対して異なる方向に前記入射面（４ａ）から出射し、異なる入射角度で前記透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）に入射させ、前記透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）は前記異なる入射角度で入射した基本波レーザ光の異なる偏波（Ｌ２１，Ｌ２２）に対して異なる方向に出射し、前記第２ミラー（８）は前記透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）から出射された前記基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）を前記波長変換素子（９）へと反射し、前記波長変換素子（９）は入射面（９ａ）に入射された前記第２ミラー（８）からの前記基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）の一部を透過し出射面（９ｂ）から出射すると共に他の一部を波長変換し波長変換レーザ光（Ｌ３）を出射面（９ｂ）から出射し、前記第３ミラー（１０）は前記波長変換素子（９）の出射面（９ｂ）から出射された前記基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）および前記波長変換レーザ光（Ｌ３）を前記波長変換素子（９）の出射面（９ｂ）へと反射し、前記波長変換素子（９）は前記第３ミラー（１０）で反射して前記出射面（９ｂ）に入射した前記基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）および前記波長変換レーザ光（Ｌ３）を前記第２ミラー（８）へと透過させ、前記第２ミラー（８）は前記波長変換素子（９）を透過した前記基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）を前記透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）へと反射することにより共振器（２０）を構成すると共に前記波長変換レーザ光（Ｌ３）を透過させ出力する、ことを特徴とする波長変換固体レーザ装置（１００を提供する。
上記第４の観点による波長変換型固体レーザ装置（１００）では、透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）は、励起レーザ光（Ｌ１）および基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）の両方を透過させればよいので、例えば８８０ｎｍの励起レーザ光の波長と９１４ｎｍの基本波レーザ光の波長のように両方の波長が近接している場合でも誘電体多層膜ミラーのような問題を生じない。さらに、固体レーザ媒質（４）に偏光ビームスプリッタの機能を持たせて基本波レーザ光（Ｌ２）の偏波（Ｌ２１，Ｌ２２）を異なる角度で体積型ホログラフィック・グレーティング（３）に入射させ、体積型ホログラフィック・グレーティング（３）の角度選択性により一つの偏波（Ｌ２１）のみに対して共振器（２０）を構成し、その共振器（２０）内に波長変換素子（９）を配置したので、波長変換素子（９）における波長変換効率を向上させることが出来る。これらにより、高安定出力の半導体レーザ励起共振器内波長変換レーザ光が得られる。

第５の観点では、本発明は、前記第４の観点による波長変換型固体レーザ装置（１００）において、前記固体レーザ媒質（４）が、レーザ活性イオン無添加部分（５）とレーザ活性イオン添加部分（６）とを持ったコンポジット型であることを特徴とする波長変換固体レーザ装置（１００）を提供する。
上記第５の観点による波長変換型固体レーザ装置（１００）では、全体がレーザ活性イオン添加部分である固体レーザ媒質に比べて、製造コストは上がるが、放熱性を向上できるので、高出力の場合に好ましい。

第６の観点では、本発明は、前記第４または第５の観点による波長変換型固体レーザ装置（１００）において、前記第１ミラー（７）および前記第３ミラー（１０）の少なくとも一つが反射型の体積型ホログラフィック・グレーティングであることを特徴とする波長変換固体レーザ装置（１００）を提供する。
上記第６の観点による波長変換型固体レーザ装置（１００）では、反射型の体積型ホログラフィック・グレーティングを用いることにより、誘電体多層膜ミラーを用いる場合よりも容易に発振波長を狭帯域化できる。

本発明の波長変換型固体レーザ装置によれば、励起波長と発振波長とが近接している場合でも誘電体多層膜ミラーのような問題を生じない。さらに、基本波レーザ光の一つの偏波のみに対して共振器を構成したので、波長変換効率を向上させることが出来る。これらにより、高安定出力の半導体レーザ励起共振器内波長変換レーザ光が得られる。

実施例１に係る波長変換型固体レーザ装置を示す構成説明図である。

以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

−実施例１−
図１は、実施例１に係る波長変換型固体レーザ装置１００を示す構成説明図である。
この波長変換型固体レーザ装置１００は、励起レーザ光Ｌ１を出射する半導体レーザ１と、励起レーザ光Ｌ１を集光する集光レンズ系２と、透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング３と、固体レーザ媒質４と、第１ミラー７と、第２ミラー８と、波長変換素子９と、第３ミラー１０とを具備している。

透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング３は、入射面３ａから入射した励起レーザ光Ｌ１を狭帯域化して固体レーザ媒質４に入射する。

固体レーザ媒質４は、例えばＮｄ：ＹＶＯ４あるいはＹｂ：ＹＶＯ４であり、入射面４ａに入射された励起レーザ光Ｌ１によって励起され、基本波レーザ光Ｌ２を出射面４ｂから出射する。

第１ミラー７は、反射型の体積型ホログラフィック・グレーティングであり、固体レーザ媒質４の出射面４ｂから出射された基本波レーザ光Ｌ２を狭帯域化して固体レーザ媒質４の出射面４ｂへと反射する。

固体レーザ媒質４は、入射面４ａと出射面４ｂとが非平行な複屈折性レーザ結晶であり、第１ミラー７で反射して出射面４ｂに入射した基本波レーザ光の異なる偏波Ｌ２１，Ｌ２２に対して異なる方向に入射面４ａから出射し、異なる入射角度で透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング３に入射させる。

透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング３は、出射面３ｂから異なる入射角度で入射した基本波レーザ光の異なる偏波Ｌ２１，Ｌ２２に対して異なる方向に出射する。

第２ミラー８は、誘電体多層膜ミラーであり、透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング３から出射された基本波レーザ光の一つの偏波Ｌ２１を波長変換素子９へと反射する。

波長変換素子９は、入射面９ａに入射された第２ミラー８からの基本波レーザ光の一つの偏波Ｌ２１の一部を透過し出射面（９ｂ）から出射すると共に、入射面９ａに入射された第２ミラー８からの基本波レーザ光の一つの偏波Ｌ２１の他の一部を波長変換し波長変換レーザ光Ｌ３を出射面９ｂから出射する。

第３ミラー１０は、誘電体多層膜ミラーであり、波長変換素子９の出射面９ｂから出射された基本波レーザ光の一つの偏波Ｌ２１および波長変換レーザ光Ｌ３を波長変換素子９の出射面９ｂへと反射する。

波長変換素子９は、第３ミラー１０で反射して出射面９ｂに入射した基本波レーザ光の一つの偏波Ｌ２１および波長変換レーザ光Ｌ３を第２ミラー（８）へと透過させる。

第２ミラー８は、波長変換素子９を透過した基本波レーザ光の一つの偏波Ｌ２１を透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング３へと反射すると共に、波長変換レーザ光Ｌ３を透過させ出力する。

第２ミラー８から反射されて体積型ホログラフィック・グレーティング３に入射した基本波レーザ光の一つの偏波Ｌ２１は、体積型ホログラフィック・グレーティング３を透過して固定レーザ媒質４に戻り、固定レーザ媒質４を透過して第１ミラー７に向かい、第１ミラー７で反射され、固定レーザ媒質４に戻り、固定レーザ媒質４を透過して体積型ホログラフィック・グレーティング３に入射し、体積型ホログラフィック・グレーティング３から第２ミラー８へ再び出射されることを繰り返す。これにより、基本波レーザ光の一つの偏波Ｌ２１に対する共振器２０が構成される。

実施例１の波長変換型固体レーザ装置１００によれば次の効果が得られる。
（１）透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング３は、励起レーザ光Ｌ１および基本波レーザ光の一つの偏波Ｌ２１の両方を透過させればよいので、例えば８８０ｎｍの励起レーザ光の波長と９１４ｎｍの基本波レーザ光の波長のように励起波長と発振波長とが近接している場合でも誘電体多層膜ミラーのような問題を生じない。
（２）固体レーザ媒質４に偏光ビームスプリッタの機能を持たせて基本波レーザ光Ｌ２の偏波Ｌ２１，Ｌ２２を異なる角度で体積型ホログラフィック・グレーティング３に入射させ、体積型ホログラフィック・グレーティング３の角度選択性により一つの偏波Ｌ２１のみに対して共振器２０を構成し、その共振器２０内に波長変換素子９を配置したので、波長変換素子９における波長変換効率を向上させることが出来る。
（３）以上により、高安定出力の半導体レーザ励起共振器内波長変換レーザ光が得られる。

−実施例２−
第１ミラー７を誘電体多層膜ミラーとし、第３ミラー１０を反射型の体積型ホログラフィック・グレーティングとしてもよい。

本発明の波長変換型固体レーザ装置は、バイオエンジニアリング分野や計測分野で利用できる。

１半導体レーザ
２集光レンズ系
３透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング
４固体レーザ媒質
５レーザ活性イオン無添加部分
６レーザ活性イオン添加部分
７第１ミラー
８第２ミラー
９波長変換素子
１０第３ミラー
１００波長変換型固体レーザ装置

Claims

半導体レーザ（１）からの励起レーザ光（Ｌ１）を入射されて基本波レーザ光（Ｌ２）を出射する固体レーザ媒質（４）として端面（４ａ，４ｂ）を非平行にした複屈折性レーザ結晶を用いて前記基本波レーザ光（Ｌ２）の異なる偏波（Ｌ２１，Ｌ２２）を異なる角度で出射させると共に、前記半導体レーザ（１）と前記固体レーザ媒質（４）の間に配置されて前記半導体レーザ（１）からの励起レーザ光（Ｌ１）を前記固体レーザ媒質（４）に入射させると共に角度選択性により異なる角度で入射した前記基本波レーザ光の偏波（Ｌ２１，Ｌ２２）に対して異なる方向に出射することにより一つの偏波（Ｌ２１）のみを前記固体レーザ媒質（４）に戻して前記一つの偏波（Ｌ２１）のみに対して共振器（２０）を構成する透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）を備え、さらに前記共振器（２０）内に波長変換素子（９）と前記一つの偏波（Ｌ２１）を反射すると共に波長変換レーザ光（Ｌ３）を透過するミラー（８）を配置したことを特徴とする波長変換型固体レーザ装置（１００）。
請求項１に記載の波長変換型固体レーザ装置（１００）において、前記固体レーザ媒質（４）が、レーザ活性イオン無添加部分（５）とレーザ活性イオン添加部分（６）とを持ったコンポジット型であることを特徴とする波長変換固体レーザ装置（１００）。
請求項１または請求項２に記載の波長変換型固体レーザ装置（１００）において、前記共振器（２０）を構成するミラー（７，１０）の少なくとも一つが反射型の体積型ホログラフィック・グレーティングであることを特徴とする波長変換固体レーザ装置（１００）。
半導体レーザ（１）と、透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）と、複屈折性レーザ結晶からなる固体レーザ媒質（４）と、第１ミラー（７）と、第２ミラー（８）と、波長変換素子（９）と、第３ミラー（１０）とを具備し、
前記半導体レーザ（１）は励起レーザ光（Ｌ１）を出射し、
前記透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）は前記励起レーザ光（Ｌ１）を透過して前記固体レーザ媒質（４）に入射し、
前記固体レーザ媒質（４）は入射面（４ａ）に入射された前記励起レーザ光（Ｌ１）によって励起され基本波レーザ光（Ｌ２）を出射面（４ｂ）から出射し、
前記第１ミラー（７）は前記固体レーザ媒質（４）の出射面（４ｂ）から出射された基本波レーザ光（Ｌ２）を前記固体レーザ媒質（４）の出射面（４ｂ）へと反射し、
前記固体レーザ媒質（４）は前記第１ミラー（７）で反射して前記出射面（４ｂ）に入射した基本波レーザ光の異なる偏波（Ｌ２１，Ｌ２２）に対して異なる方向に前記入射面（４ａ）から出射し、異なる入射角度で前記透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）に入射させ、
前記透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）は前記異なる入射角度で入射した基本波レーザ光の異なる偏波（Ｌ２１，Ｌ２２）に対して異なる方向に出射し、
前記第２ミラー（８）は前記透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）から出射された前記基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）を前記波長変換素子（９）へと反射し、
前記波長変換素子（９）は入射面（９ａ）に入射された前記第２ミラー（８）からの前記基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）の一部を透過し出射面（９ｂ）から出射すると共に他の一部を波長変換し波長変換レーザ光（Ｌ３）を出射面（９ｂ）から出射し、
前記第３ミラー（１０）は前記波長変換素子（９）の出射面（９ｂ）から出射された前記基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）および前記波長変換レーザ光（Ｌ３）を前記波長変換素子（９）の出射面（９ｂ）へと反射し、
前記波長変換素子（９）は前記第３ミラー（１０）で反射して前記出射面（９ｂ）に入射した前記基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）および前記波長変換レーザ光（Ｌ３）を前記第２ミラー（８）へと透過させ、
前記第２ミラー（８）は前記波長変換素子（９）を透過した前記基本波レーザ光の一つの偏波（Ｌ２１）を前記透過型の体積型ホログラフィック・グレーティング（３）へと反射することにより共振器（２０）を構成すると共に前記波長変換レーザ光（Ｌ３）を透過させ出力する、
ことを特徴とする波長変換固体レーザ装置（１００）。
請求項４に記載の波長変換型固体レーザ装置（１００）において、前記固体レーザ媒質（４）が、レーザ活性イオン無添加部分（５）とレーザ活性イオン添加部分（６）とを持ったコンポジット型であることを特徴とする波長変換固体レーザ装置（１００）。
請求項４または請求項５に記載の波長変換型固体レーザ装置（１００）において、前記第１ミラー（７）および前記第３ミラー（１０）の少なくとも一つが反射型の体積型ホログラフィック・グレーティングであることを特徴とする波長変換固体レーザ装置（１００）。